Кристаллических материалов

Пьезоматериалы и их характеристики. ^Пьезоэлектрический эффект был открыт на кристаллических материалах типа кварца, и первоначально в технике применяли кристаллические пьезопреоб-разователи. Пьезопластина кварца Х-среза (вырезанная перпендикулярно оптической оси X) колеблется по толщине, а У-среза совершает сдвиговые колебания. В настоящее время открыты различные классы пьезоматериалов, отличающиеся физическим механизмом возникновения пьезоэффекта. Согласно современной классификации кварц относят к неполярным пьезодиэлектрикам.

К настоящему времени в литературе имеется немного экспериментальных работ, посвященных исследованию влияния циклического нагружения с различными амплитудами напряжения (деформации) на плотность дислокаций в различных кристаллических материалах. Нам известны только две работы '[19, 20].

новения при нагружении тел оптической анизотропии и, главным образом, эффекта двойного лучепреломления в первоначально изотропных твердых материалах, таких, как стекло, целлулоид, различные пластмассы. Явление изменения характеристик двойного лучепреломления под нагрузкой наблюдается как в аморфных прозрачных телах, так и в поликристаллах и частично кристаллических материалах.

Рентгеновский автоматический дифрактометр ДАРТ-УМ предназначен для исследования текстур в металлах и сплавах, минералах и других кристаллических материалах Он управляется вычислительным комплексом «Искра».

При условии общего приспособления к циклическому нагру-жению в кристаллических материалах все же появляются весьма малые по площади петли гистерезиса, связанные с наличием в каждом цикле микропластических деформаций, развивающихся в отдельных, наиболее напряженных кристаллических зернах. Как и в случае малоцикловой усталости, значительная часть необратимой работы деформирования рассеивается теперь на протяжении весьма большого числа циклов в виде тепла, но некоторая доля этой работы приводит к развитию усталостных повреждений.

Несмотря на обширные исследования СПД в кристаллических материалах, практически отсутствуют сведения по практическому использованию СПД для обработки сварных соединений из углеродистых и низколегированных сталей, которые широко применяются для изготовления сварных элементов нефтегазового оборудования.

которые в кристаллических материалах являются активными оча-

Остановимся на некоторых «трудных» проблемах магнитномягких аморфных материалов. Одной из таких проблем, как отмечают авторы книги, является временная нестабильность проницаемости. Эта проблема стоит особенно остро в отношении аморфных сплавов с Я8«0, где пиннинг границ доменов выражен весьма слабо, и поэтому стабилизация границ доменов вследствие направленного упорядочения по сути дела является лимитирующим фактором. В кристаллических материалах эта проблема решается сравнительно легко — путем снижения примесей внедрения углерода и азота. Ранее предполагали, что временная нестабильность проницаемости аморфных сплавов в районе климатических температур обусловлена атомами металлоидов [9]*. Однако исследование сплавов с Яв«О, но не содержащих металлоиды, показало [20 с. 49]*, что и в этих материалах нестабильность проницаемости выражена весьма сильно. По всей видимости, атомной структуре аморфных сплавов, не зависимо от того, содержат ли они атомы металлоидов или нет, присущи некоторые дефекты, перестройка которых в зависимости от направления вектора намагниченности обеспечивает стабилизацию границ доменов и наведение одноосной анизотропии.

В аморфных металлах встречается еще один тип магнитной неупорядоченности, проявляющийся в таких кристаллических материалах, как оксиды (ферриты), а именно ферримагнетизм. Если в аморфном сплаве, содержащем два сорта магнитных атомов, А и В, взаимодействия АА — ВВ положительны, а взаимодействия А~ В отрицательны2, то возникает состояние, в котором магнитные моменты А и магнитные моменты В противоположны друг другу (рис. 5.3). Когда магнитный момент В больше магнитного момента Л„ или наоборот, возникает спонтанный (Магнетизм, который определяется как феррИ'Магаетизм. На рис. 5.3 магнитные моменты А к В антипараллельны, но магнитные моменты атомов одного сорта могут быть р1азориенти,рованы на м'алые углы :и поэтому так же, «ак и в случае, показанном на рис. 5.2, может возникнуть влияние локальной магнитной 'анизотропии. Таким образом, в зависимости от локальных колебаний направления магнитного момента ферримагнетики,. как и ферромагнетики, можно назвать неупорядоченными.ферри-М'эгнетакзми или 'спериферримагнетикаМ'И [3]. В качестве примера аморфных ферримагнетиков '.можно указать на аморфные пленочные сплавы на основе РЗМ с Fe и Со [6, 7], весьма перспективные для (применения в устройствах магнитной записи. В магнитном поведении таких сплавов проявляется так называемый компенсационный эффект, характерный для ферримагнетиков вообще [8, 9]. Компенсационный эффект заключается в том, что, когда сумма магнитных моментов атомов сорта А и сумма магнитных моментов атомов сорта В равны друг другу, спонтанная намагниченность полностью исчезает. Важными факторами здесь являются концен-рации атомов А и В (химический состав сплава) и температура. Состав сплава и температура, при которых имеет место эффект компенсации, называют соответственно компенсирующим составом и температурой компенсации. Варьируя концентрации атомов вблизи компенсирующего состава, можно регулировать величину спонтанной намагниченности, в том числе делать ее достаточно малой. С другой стороны, если между маг-

Усталостное разрушение в аморфных сплавах, как и в кристаллических материалах, происходит путем зарождения и распространения трещин [34]. Трещина .зарождается на дефектах внешней поверхности или вблизи внутренних неоднородностей. Признаком пластической деформации и скачкообразного распространения трещины служит появление характерных полос в вершине трещины, как и в случае кристаллических металлов. Однако в аморфных

1 Предложенное авторами объяснение защитного действия молибдена следует рассматривать как дискуссионное, поскольку оно не согласуется с данными ряда работ, полученных на кристаллических материалах (см. например. [11, 57}*). Прим. ред. *

У большинства кристаллических материалов границы области упругости соответствует удлинение образца приближитедьно на 3%, эластомеры могут растягиваться до 1000/4. Эта исключительная упругость обусловлена вращением вокруг связей цепи полимера и навивается он*

При превышении температурой порогового значения Т,^ (первой критической температуры) металл переходит в вязкое состояние. Долгое время считалось, что микромеханизм вязкого разрушения представляет собой процесс слияния пор, возникающих около частиц второй фазы [47]. Однако электронно-микроскопические и рентгеновские исследования микроразрушения кристаллических материалов выявили более сложный механизм развития трещины, включающий две стадии повреждаемости. На первой стадии при незначительной степени деформации образуются субмикроскопические кристаллографические трещины, обусловленные эволюцией дислокационной структуры. Затем эти зародышевые трещины сливаются в критическую трещину, что означает переход от дислокационного механизма повреждаемости к вакансионному, т. е. образованию пор около групп вакансий, а при высоком уровне напряжений-около частиц второй фазы [47].

Размер зерна — один из важных показателей качества кристаллических материалов (в частности, металлов), непосредственно влияющих на прочностные характеристики ОК. Размер зерна определен ГОСТ 5639—65, как средний диаметр зерна, и оценивается в номерах шкалы (баллах) ГОСТа. Например, балл

При превышении температурой порогового значения ТГО1 (первой критической температуры) металл переходит в вязкое состояние. Долгое время считалось, что микромеханизм вязкого разрушения представляет собой процесс слияния пор, возникающих около частиц второй фазы [43]. Однако электронно-микроскопические и рентгеновские исследования микроразрушения кристаллических материалов выявили более сложный механизм развития трещины, включающий две стадии повреждаемости На первой стадии при незначительной степени деформации образуются субмикроскопические кристаллографические трещины, обусловленные эволюцией дислокационной структуры. Затем эти зародышевые трещины сливаются в макротрещину, что означает переход от дислокационного механизма повреждаемости к вакансионному, т. е. образованию пор около групп вакансий, а при высоком уровне напряжений- около частиц второй фазы [37].

В четырех главах книги рассматриваются различные аспекты весьма актуального вопроса, связанного с созданием и практическим осуществлением новых путей резкого повышения прочности металлов. Эта проблема в настоящее время является одной из основных в металловедении. Развиваемые теорией дислокаций представления о несовершенном строении кристаллических материалов позволили объяснить, почему реальная прочность металлов составляет всего лишь десятые или даже сотые доли процента от теоретической. Настоящая же теория должна не только констатировать и объяснять те или иные явления и процессы, но и предсказывать пути управления этими процессами с целью получения нужных нам свойств.

Теперь мы можем смело сказать, что теория дислокаций полностью удовлетворяет этим требованиям. На ее основе были разработаны специальные способы воздействия на структуру кристаллических материалов, в первую очередь на их дислокационную структуру, были изысканы методы стабилизации

Еще 10—15 лет назад казалась фантазией возможность получить металлы и сплавы с прочностью, в сотни раз превосходящей прочность существующих металлических материалов. Действительно, оба основных способа получения высокопрочных металлических материалов — легирование и термическая обработка, а также их сочетание — позволили повысить прочность машиностроительных материалов всего в 8—-10 раз. Эти успехи . явились результатом 50 лет напряженного труда ученых и инженеров. Конечно, это был довольно существенный шаг вперед, однако непрерывно возрастающие запросы техники требуют металлов и сплавов более высокой 'прочности. И машиностроительные материалы с необходимыми свойствами могут быть получены. Мы уже располагаем металлами действительно ультравысокой прочности. Известно, что прочность технического железа на разрыв составляет всего 25—30 кГ/мм2. Сравнительно недавно удалось получить монокристаллы железа прочностью до 1400 кГ/мм2. Правда, такая высокая прочность пока еще получена на объектах весьма .малых .размеров, но эти результаты не случайны, а являются закономерным следствием развития наших знаний о природе твердого тела. Успехи, достигнутые физикой твердого тела за последние годы, позволили разработать принципиально новые 'пути повышения прочности кристаллических материалов. При этом отнюдь не исключаются ранее оправдавшие себя методы получения высокопрочных материалов: разработка .композиций новых сплавов, их легирование и термическая обработка. Но даже у существующих материалов прочность можно повысить во много раз, если более полно использовать силы межатомных связей в кристалле. Задача за-.ключается в реализации этих скрытых резервов. Пути такой реализации предсказаны теорией дислокаций.

Средства контроля структуры материалов. Контроль величины зерна. Одним из важнейших показателей* качества кристаллических материалов, в частности металлов, является структура, главным образом величина зерна, влияющая на прочностные характеристики изделия. Величина зерна определена ГОСТ 5639—82 как средний диаметр зерна и оценивается в номерах шкалы (баллах) (табл. 25).

Как известно, при хрупком разрушении аморфных тел, например, стекла, характерно появление раковистого излома. Подобный же характер излома наблюдается и для ряда кристаллических материалов, в том числе и корунда. Но это возможно при хорошей их спайности или кристаллизации из расплавленного состояния и отсутствия разрыхленной микроструктуры. Рис. 2 и 3, на которых виден раковистый излом зерен А1203, свидетельствуют о том, что по крайней мере, отдельные частицы окиси алюминия,

Пьезоэлектрический эффект был открыт при исследовании кристаллических материалов типа кварца, и первоначально в технике применяли кристаллические пьезопреобразователи. В настоящее время открыты различные классы пьезоматериалов, отличающиеся физическим механизмом возникновения пьезоэф-фекта. Согласно этой классификации кварц относят к неполярным пьезодиэлектрикам.

жения преобразовать к этим осям и исследовать на условия разрушения. Однако существует много используемых на практике кристаллических материалов и композитов (например, косослойных пластин), для которых неясно, какие оси являются «главными», и, следовательно, требование инвариантности становится совершенно необходимым.